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井筒内的信息传输是实现井眼轨道闭环自动控制的关键技术。目前,对钻井液连续脉冲信号的产生及传输过程研究的迟滞,严重制约了MWD系统的研制和发展。连续脉冲信号的产生是信号传输的初始条件,信号的传输过程则是流体流动过程、信号在系统中的传输过程以及压力波在传输介质中的传播过程的有机组合。这三个过程对连续脉冲信号的传输质量和精度都起着重要的作用,因此开展连续脉冲信号的产生及传输规律的研究是十分必要和迫切的。
本文首先分析了连续脉冲信号的产生机理并建立了计算模型,根据模型进行了影响因素分析,提出了优化信号发生器设计的建议。其次,利用分散介质理论、信号与系统理论以及压力波动理论分别建立了连续脉冲信号传输过程中的流体流动动态模型、信号系统内传输的时域特性与频域特性模型以及脉冲压力波传播的压力脉动模型,对模型作了实例验证,并进性了数值模拟研究。研究结果表明,脉冲信号传输时间随传输距离的增加而增加,信号振幅则随传输距离的增加而减小,且减小的程度逐渐降低。脉冲信号的谐振频率与钻井液流体特性相关,在频域内间断分布。脉冲信号谐振频率点处的振幅随着频率的增加而增加,非谐振频率点处的振幅则随频率的增加而减小;当信号频率达到稳定传输频率后,脉冲振幅不再发生剧烈变化。钻井液流体体积含气率是影响信号传输的重要参数之一,含气率越大,脉冲信号的传输时间越长,信号衰减越严重,信号响应程度越小且响应的滞后效应表现得越明显。
连续脉冲信号的传输速度及衰减特性与传输系统的粘性频率特性密切相关。本文依据流体动力学以及非牛顿流体力学等理论建立了传输速度和频率相关衰减的计算模型,通过数值模拟计算进行影响因素分析。研究结果表明,信号频率越大,脉冲信号的传输速度越大,而脉冲信号的衰减也越大。钻井液流体粘度对信号的传输速度和衰减特性的影响比流性指数、稠度系数等参数更为重要。钻井液流体粘度越大,信号的衰减程度越大,而信号的传输速度及稳定传输频域范围则越小。这些规律的得出为提高信号传输速度以及减少信号衰减的技术发展提供了理论依据。
工程实际表明,连续脉冲在传输过程中会出现反射和干涉等波动问题。本文依据动力波动理论分析了脉冲信号传输过程中的波动问题以及因此产生的压力脉动现象。分析结果表明,连续脉冲压力脉动振幅分布随脉冲传输深度和井筒内异径管位置的变化而变化并且井筒内压力脉动振幅的峰值点是信号传感器的最佳设置点。